AFP 004. ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO

ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DINÁMICO DEL SISTEMA TÍMPANO
OSICULAR HUMANO
PACS : 43.64. Bt
Caminos Gámez, Luis1; García-González, Antonio 2; Urquiza de la Rosa, Rafael 3;
González-Herrera Antonio4
1,2 y 4
Departamento de Ingeniería Civil, Materiales y Fabricación, Universidad de Málaga
Plaza el Ejido, s/n 29071 Málaga España, Tel: + 34 952132967
E-Mail: [email protected]; [email protected] ; [email protected]
3
Laboratorio de Otología Experimental, Institutos Universitarios de Investigación. Universidad
de Málaga, C/ Severo Ochoa, 4, Tel: + 34 952 134179
E-Mail: [email protected] 3
ABSTRACT
This paper study the dynamic response of the human tympanic ossicular system (HTOS)
using the Finite Element Method (FEM). The model HTOS includes the tympanic membrane, a
chain of small bones (malleus, incus and stapes), the tendons and ligaments that support chain.
A harmonic analysis is performed considering the effect of cochlear fluid and a sound pressure
of 90 dBSPL, acting on the outer side of the eardrum. The effect of some parameters that govern
the dynamic behaviour is analyzed. The model is validated with previous experimental results.
RESUMEN
En este artículo se estudia la respuesta dinámica del sistema tímpano osicular humano
(STOH) por medio del Método de los Elementos Finitos (MEF). El modelo del STOH incluye la
membrana timpánica, cadena de huesecillos (martillo, yunque y estribo), los tendones y
ligamentos que sirven de sostén a la cadena. Se hace un análisis modal y armónico
considerando el efecto del fluido de la cóclea y una presión de sonido de 90 dBSPL, actuando
sobre la cara externa del tímpano. Se analiza el efecto de algunos parámetros que rigen el
comportamiento dinámico. El modelo se valida con resultados experimentales anteriores.
1. INTRODUCCIÓN
El uso de la simulación numérica en estructuras de geometrías complejas, como el oído
humano, ha permitido un gran avance en el área de la biomecánica, específicamente la
aplicación del método de los elementos finitos (MEF), es conocido desde los trabajos de
Lesser y Williams (1982), sobre la membrana timpánica pasando por el modelado
tridimensional del oído medio de Wada et al. (1992), hasta la simulación de la transmisión de
sonido desde el canal auditivo externo hasta la cóclea realizado por Gan et al. (2007). Los
aportes de estas investigaciones son fundamentales en la comprensión y estudio del fenómeno
de transmisión de sonido así como el diseño de prótesis auditivas para aquellas personas que
presentan niveles de audición por debajo de lo normal generado por algún tipo de patología.
El desarrollo de un modelo tridimensional del sistema tímpano osicular humano (STOH),
y la simulación del comportamiento dinámico, surge de la necesidad de poseer herramientas
que permitan en un futuro, lograr simulaciones del oído medio en su totalidad de una manera
confiable y al mismo tiempo poder evaluar a través de estos modelos, el comportamiento de
nuevos diseños de prótesis con la finalidad de mejorar los ya existentes; así como también
poder conocer el desempeño de la prótesis una vez implantada y sus posibles efectos sobre el
oído del paciente.
2. METODOLOGÍA
El modelo geométrico del STOH se divide en tres partes: la membrana timpánica o
tímpano, la cadena osicular (martillo yunque y estribo) y el sistema de ligamentos-tendones;
este último incluye los ligamentos superior, lateral y anterior del martillo, ligamento posterior
del yunque, tendón del tensor del tímpano, tendón estapedial, ligamento anular del tímpano y
ligamento anular del estribo. Para conseguir el modelo de cada parte, se usa una metodología
distinta debido a las diferencias en cuanto a la anatomía, fisiología y comportamiento.
.
.
Figura 1. Secuencia de pasos para generar la geometría de la membrana timpánica.
Ligamento superior
del martillo
Yunque
Ligamento
posterior del
Estribo
Ligamento
lateral
Ligamento
anterior del
Tendón del
tensor del
tímpano
Martillo
Tendón
estapedial
Figura 2. Modelo 3D de la cadena osicular y ligamentos suspensorios
Para generar la superficie de la membrana, se toma como referencia el trabajo de
Decraemer, Dirckx y Funnell (1991), los cuales consiguieron la ubicación de los puntos de la
superficie de una membrana timpánica humana, utilizando interferometria moiré. Con la ayuda
de herramientas CAD se generan los puntos superficiales y luego se unen a través de curvas
splines, en dirección transversal al tímpano formando 46 áreas que se acoplan para formar la
superficie total de la membrana timpánica, como se muestra en la Figura 1
La cadena osicular se construye a partir de tres vistas ortogonales de cada uno de los
huesos y usando operaciones booleanas se genera un modelo tridimensional como se observa
en la Figura 2. Las vistas utilizadas se consiguieron a partir del trabajo de Weistenhöfer y
2
Hudde (1999). Los ligamentos superior, lateral y anterior del martillo, ligamento posterior del
yunque, tendón del tensor del tímpano y el tendón estapedial, se modelan como barras de
sección rectangular (ver Figura 2) de acuerdo a las dimensiones usadas por Chia et al. (2006).
En la Figura 3 se muestra el modelo en elementos finitos del STOH generado por medio
del programa ANSYS. La membrana timpánica se modeló con elementos triangulares shell de
6 nodos y de espesor uniforme igual a 0.1mm. Para la cadena osicular, ligamentos y tendones
se usaron elementos tetraédricos de 10 nodos.
Ligamento superior
del martillo
Yunque
Ligamento lateral
del martillo
Ligamento posterior del
yunque
Tendón del tensor del
tímpano
Pars
flácida
Estribo
Tendón
estapedial
Ligamento
anterior del
martillo
Martillo
Pars tensa
Figura 3. Modelo en elementos finitos del STOH generado en ANSYS.
Se parte de la hipótesis de que todos los materiales componentes tienen un
comportamiento de sólido elástico lineal. Esta aproximación obedece a los pequeños
desplazamientos obtenidos en pruebas experimentales (Ferrazzinni, 2003; Gan et al., 2004),
los cuales resultan menores a una micra. Adicionalmente en el modelo se considera que todos
los materiales tienen un comportamiento isótropo. En la Tabla 1 se muestran los valores de las
propiedades mecánicas de la membrana timpánica, cadena osicular, ligamentos y tendones
que se usan en el modelo.
Tabla 1. Propiedades de los materiales que se usan en el modelo
Densidad
Módulo de
Coeficiente de
Material
(Kg/m3)
Young (N/m2)
Poisson
Tímpano (pars tensa)
Tímpano (pars flácida)
Martillo yunque y estribo
Ligamento superior del martillo
Ligamento lateral del martillo
Ligamento anterior del martillo
Ligamento posterior del yunque
Tendón del tensor del tímpano
Tendón estapedial
Tomados de: Chia et al. (2006); Fay et al.
(1999).
1200
1x107 – 3.2x107
0.3
1200
1x107
0.3
1900
1.41x1010
0.3
1200
4.9x104
0.3
1200
6.7x104
0.3
1200
2.1x106
0.3
1200
6.5x105
0.3
1200
2.6x106
0.3
1200
2.0x105
0.3
(2005); Sun et al. (2002); Weistenhöfer y Hudde
Las condiciones de contorno incluyen los ligamentos suspensorios y tendones de la
cadena osicular, los cuales se unen en un extremo con los nodos coincidentes en la
intersección de cada hueso y el otro extremo se fija para simular la unión con la cavidad
timpánica. El ligamento anular del tímpano se modela como una aro 0.2 mm de ancho y 0.2
mm de espesor alrededor de la membrana timpánica (Sun et al., 2002), usando elementos
triangulares shell de 6 nodos como se observa en la Figura 4(a). La densidad se tomo de 1200
3
kg/m3, módulo de Young de 6.0x105 N/m2 y una relación de Poisson de 0.3. Los nodos del
borde externo del ligamento anular se fijan para simular la unión a la cavidad del oído medio.
El ligamento anular del estribo y la carga del fluido de la cóclea sobre la placa podal del
estribo se modelan según la aproximación conseguida por Sun et al. (2002). El ligamento
anular del estribo se simula usando 20 resortes uniformemente espaciados alrededor del
borde externo de la placa podal, como se observa en la Figura 4(b). La constante de cada
resorte se tomo de 9 N/m. Un extremo se une al nodo de intersección de la placa y el otro se
fija.
Pars
Flácida
Ligamento
anular del
tímpano
Borde
externo
Ligamento
anular del
estribo
Estribo
Pars
Flácida
Umbo
Placa podal
(a)
(b)
Figura 4. (a) Ligamento anular del tímpano y la membrana timpánica. (b) Ligamento anular del estribo.
La carga del fluido se supone de comportamiento viscoelástico usando 34 elementos
resorte-amortiguador, colocados perpendicularmente al plano de la placa podal. La rigidez total
se tomo de 60 N/m y un coeficiente de amortiguamiento igual a 0.054 N-s/m.
La ecuación que modela el comportamiento del STOH es:
[ M ]{u&&} + [ C ]{u&} + [ K ]{u} = {F }
(1)
donde [M], [C] y [K] son las matrices globales de masa, amortiguamiento y rigidez
respectivamente. El vector {F} es el vector de fuerzas nodales debidas a cargas exteriores.
Los vectores { u }, { u& } y { u&& }, están referidos al desplazamiento, velocidad y aceleración de los
nodos del sistema.
El tipo de amortiguamiento a utilizar en esta investigación de Rayleigh, que viene dado
como una combinación lineal de las matrices de rigidez y de masa:
(2)
[C ] = α [ M ] + β [ K ]
α como 0 s-1 y el valor de β se considera dentro de un rango comprendido entre
2.5x10-5 s y 7.5x10-5 s para poder analizar su influencia en la respuesta del sistema.
3. RESULTADOS
La Figura 5 muestra el desplazamiento del umbo del modelo propuesto, comparado con
los resultados experimentales de Gan et al., sobre el promedio tomado de diez cadáveres
humanos. Los valores del módulo de Young de la pars tensa y el coeficiente de
amortiguamiento β utilizados en la simulación son 2.0x107 N/m2 y 7.5x10-5 s respectivamente.
El ajuste es lo suficientemente bueno como para dar por válido el modelo.
La Figura 6(a) muestra la amplitud de desplazamiento del umbo para diferentes valores
del módulo de Young en la pars tensa del tímpano con un coeficiente β de 7.5x10-5 s. Se
puede observar como la variación en la rigidez de la membrana timpánica se refleja de manera
directa en la posición del pico de máxima amplitud. La influencia del coeficiente β se muestra
en la Figura 6(b), considerando un módulo de Young de la pars tensa del tímpano igual a
2.0x107 N/m2. En este caso su única influencia es en la amplificación de los valores máximos.
Se puede decir que el valor utilizado en el resto del estudio es apropiado.
4
Amplitud de desplazamiento del
umbo (m)
1,0E-06
1,0E-07
M o delo M EF
1,0E-08
Exp. Gan et al.
(2004)
1,0E-09
100
1000
10000
Frecuencia (Hz)
Figura 5. Amplitud de desplazamiento del umbo vs. frecuencia a un presión de sonido de 90 dBSPL. La
línea continua son los valores obtenidos del MEF y la línea a trazos los valores experimentales promedios
de Gan at al. (2004).
1,0 E-06
1,0E-06
β en s
Módulo de
Young en N/m2
β =3.0E- 5
β =4.0E- 5
β =5.0E- 5
E = 1.0E7
E = 1.5E7
1,0E-07
1,0 E-07
β =6.0E- 5
β =7.5E- 5
E = 2.0E7
E = 2.5E7
E = 3.0E7
1,0E-08
1,0 E-08
1,0 E-09
1,0E-09
0
1000
2000
3000
4000
5000
0
6000
10 00
2 00 0
30 0 0
4 00 0
Frecuencia (Hz)
50 00
6 00 0
Frecuencia (Hz)
(a)
(b)
Figura 6. Amplitud de desplazamiento del umbo vs. frecuencia a 90 dBSPL (a) para diferentes valores de
módulo de Young de la pars tensa del tímpano. (b) para diferentes valores de coeficiente amortiguamiento
β.
4. CONCLUSIONES
El desarrollo de esta investigación, permitió obtener el modelo numérico y la simulación
del comportamiento dinámico del sistema tímpano osicular humano (STOH).
La validación del modelo numérico usando el MEF se hizo considerando la amplitud de
desplazamiento del umbo para una presión de sonido de 90 dBSPL comparada con las
respuestas experimentales de Gan et al. (2004) donde se pudo corroborar que los valores
obtenidos se mantienen dentro del intervalo de la curva de referencia entre 100 y 8000 Hz.
Se generó un modelo geométrico de la membrana timpánica a partir de la superficie
conseguida por Decramer et al. (1991), y el de la cadena osicular tomando como referencia
las vistas ortogonales de los huecesillos desarrollados por Weistenhofer y Hudde (1999).
Se comprobó la mayor influencia que ejerce la variación del módulo de Young de la pars
tensa del tímpano en la respuesta del sistema, al modificar el desplazamiento del umbo en
mayor medida para frecuencias entre 100 y 1750 Hz, comparada con el efecto que genera la
variación del factor de amortiguamiento de Rayleigh (β).
5
5. REFERENCIAS
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and modeling of middle ear biomechanics by high-resolution computed tomography and finite
element analysis. Biomedical Engineering-Applications, Basis & Communications., Vol 18 no.5,
pp. 214-221, 2006.
Decraemer, W., Dirckx, J., Funnell, R. Shape and derived geometrical parametrers of the adult,
human tympanic membrane measured with a phase-shift moiré interferometer. Hearing
Research., Vol 51 no.1, pp. 107-122, 1991.
Fay, J., Puria, S., Decraemer, W., Steele, C. Three approaches for estimating the elastic
modulus of the tympanic membrane. Journal of Biomechanics., Vol 38 no.9, pp. 1807-1815,
2005.
Ferrazzini, M. Virtual middle ear: dynamic mathematical model based on the finite element
method. Phd Thesis at Swiss Federal Institute of Technology (ETH), Zurich, no 15294, 2003.
Gan, R., Fen, B., Sun, Q. Three-dimensional finite element modeling of human ear for sound
transmission. Annals of Biomedical Engineering., Vol. 32, no. 6, pp. 847–859, 2004.
Gan, R., Reeves, B., Wan, X. Modeling of sound transmission from ear canal to coclea. Annals
of Biomedical Engineering,Vol. 35, No. 12, pp. 2180–2195, 2007.
Lesser, T., Williams, K. The tympanic membrane in cross section: a finite element analysis.
Journal of Laryngology and Otology., Vol 102 no.3, pp. 209-214, 1988.
Sun, Q., Gan, R., Chang, K., Dormer, K. Computer-integrated finite element modeling of human
middle ear. Biomechan Model Mechanobiol., Vol 1, pp 109– 122, 2002.
Wada, H., Metoki, T., Kobayashi T. Analysis of dynamic behavior of human middle ear using a
finite element method. Journal of the Acustical Society of America., Vol 92 no.6, pp. 3157-3168,
1992.
Weistenhöfer, C., Hudde, H. Determination of the Shape and Inertia Properties of the Human
Auditory Ossicles. Audilogy & Neuro-Otology., Vol 4 no.3-4, pp. 192-196, 1999.
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